自然界中的生命系统不仅能自发实现各种复杂的生物功能，还能对外界环境的变化和刺激及时做出响应和适应性调整。借助于复杂的化学反应网络（CRN），生命体系可通过消耗自身或者外界能量，实现平衡态和多个非平衡态的转变，进而实现各种复杂的功能。另外，CRN中复杂的反馈调节机制，也使得精准控制生命体自演化和响应性的时空行为成为可能。受此启发，科学家利用合成化学和材料科学基本理论，开发一系列具有类似“活性”的瞬态材料，如燃料驱动超分子组装体和大分子瞬态水凝胶等。然而，相比于生命体中复杂的反应网络，这些合成体系仍比较简单，难以实现更高阶的复杂非线性功能。因此，开发类似生命体的“活性”材料并赋予其高阶的自演化和自适应功能仍是科学领域的重大挑战。
图 1 可编程“活性”水凝胶中化学反应网络示意图。4-PEG-SH和秋兰姆二硫化物可先后通过硫醇氧化（k1）、二硫化物复分解（k2）和亚硫酸酯水解偶联（k3）等三步基元反应实现自演化和燃料耗散的复杂行为。 针对这一难题，近期，上海科技大学郑宜君团队将非线性级联反应引入到瞬态水凝胶中，通过预测、编程CRN中各基元反应中反应物的动力学变化，成功构建出具有复杂自演变行为的“活性”瞬态水凝胶体系。他们以4-arm-PEG-SH和秋兰姆二硫化物为原料，通过硫醇氧化（k1）、二硫化物复分解（k2）和亚硫酸酯水解偶联（k3）等三步基元反应的动力学调控，成功构建具有“活性”的可编程瞬态水凝胶体系（图1）。他们发现，在中间产物二乙基二硫代氨基甲酸二乙铵（DDDC）的自催化下，合适的动力学常数（k1>k2>k3）使凝胶材料可自主实现溶胶（I）→软胶→溶胶（II）→硬胶的连续四态转变，各瞬态行为的寿命可以达到分钟、小时甚至数天（图2）。此外，额外的秋兰姆二硫化物亦可作为燃料，驱动复分解和水解偶联反应，进而实现能量驱动的硬凝胶→溶胶（II）→硬凝胶循环转变。即使通过燃料驱动3次循环，模量也不会出现明显损失。系统的动力学模拟进一步表明这种“活性”材料的瞬态转变行为及寿命周期可以通过调整秋兰姆二硫化物浓度，体系pH值和秋兰姆结构进行精准编程（图3）。基于这些特点，作者还探索了这种智能材料在防伪和形状可塑性转换方面的应用（图4）。相比于基于简单化学反应的传统瞬态体系，这种“活性”材料具有高阶的非线性反应网络和自催化的特点，未来有望指导设计新一代的多功能智能材料，也为构建仿生命体的合成材料开辟新的方向。该工作以“Programming Hydrogels with Complex Transient Behaviors via Autocatalytic Cascade Reactions”为题发表在TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022)。 上海科技大学硕士生张静宜为论文第一作者。该工作得到了上海浦江计划（20PJ1411200），国家自然科学基金(52073175)与上海科技大学启动资金的支持。
图 2 （a）“活性”水凝胶状态转变行为和流变曲线（b）。(c) 通过向稳定水凝胶中加入TDS（20 mM溶在MeCN）并重复三次硬凝胶→溶液(II)→硬凝胶循环。(d)不同循环中水凝胶的稳定模量（G0）和瞬态水凝胶（II）的寿命。
图 3 通过编程级联反应中交联二硫键浓度的变化调控“智能”水凝胶的瞬态转变行为和寿命。这些水凝胶的瞬态自主转变现象与级联反应中交联二硫键的浓度变化规律高度匹配，表明所设计凝胶体系的可预测和可编程性。
图 4 （a） 图案化防伪实验：先将4-PEG-SH和TDS注入图案化凹槽“SHTU”中。在TDS高效氧化下，4-PEG-SH交联形成水凝胶，然后将成型的胶状“SHTU”转移至部分超疏水处理的铝材表面(留有“nature”图案未做超疏水处理)，随着时间的流逝，SHTU的水凝胶自主变为溶胶状态，由于超疏水和重力作用溶液以小液滴的形式自动滚落。同时，润湿亲水区，最终呈现出加密信息“nature”。（b-k）形状可塑性转换：先把混合溶液注入到立方模具中，构建立方型的水凝胶。新形成的水凝胶具有弹性，由于交联结构，在压缩下变形后可以恢复为原始形状。在可变形的时间窗口内，即处在软凝胶的状态下，通过在半球形容器中挤压重塑水凝胶，这是因为在这种情况下二硫键解离后又重新形成。然后重新形成的样品在可变形的时间窗外也是弹性的，不能重塑。因此，可以通过定制新的参数方式（即编程时间）来实现自主水凝胶所展现的形状可编程特性。
这项工作是该团队近期关于动态生物材料合成与功能化应用相关研究的最新进展。相比于传统的稳定水凝胶材料，开发具有类似生命体细胞外基质功能的先进动态生物材料，有助于更精确的了解细胞与其环境的动态相互作用，这对进一步操纵细胞功能具有重要意义。为此，该团队致力于开发一系列具有复杂行为的可编程瞬态水凝胶，特别强调使用多种化学反应（eg. 光）实现材料物理化学和生物性能的多维调节(Nat. Commun.2020, 11, 963；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 59, 5611）。另外，为实现对细胞功能操控的目的，该课题组还开发了刺激响应性的分子施力工具，通过光控聚合物链的坍缩实现分子水平上力的施加和检测（Nat. Commun. 2021, 12, 3580）。课题组长期招收招收硕士生、博士生和博士后，欢迎广大青年才俊的加入。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c03177
